专利名称：制作光学元件成形模子的方法以及光学元件成形模子的制作方法
技术领域：
本发明涉及制作光学元件成形模子的方法，该光学元件成形模子是在通过使玻璃材料压制成形来制作光学元件(诸如透镜和棱镜)时使用的。
背景技术：
通过在不要求执行玻璃抛光步骤的情况下使玻璃材料压制成形来制作透镜的技术已经消除了在制作光学元件成形模子的传统方法中必需的复杂步骤，由此使得能够以更低成本更容易地制作透镜。用于玻璃光学元件的这种压制成形的模子材料所要求的性能包括在硬度、耐热性、可释放性(^16&8813；[1；^7)、镜面加工性能等方面的优点。传统地，作为这种模子材料，已经提出了许多材料，诸如金属、陶瓷、以及其上均涂敷有金属或者陶瓷的材料。特别地，通过形成碳膜(诸如金刚石状碳膜、氢化非晶碳膜(a_C:H膜)、硬碳膜或者四面体非晶碳膜(ta-C膜))制作的模子在模子与玻璃之间的可释放性方面较好，并且因此该模子有以下好处，即不太可能出现碳膜与玻璃之间的融熔接合(fusion-bonding)ο然而，该模子一般具有较低的与碳膜的粘附性，并且在玻璃压制成形操作被重复多于几百次之后，碳膜被部分地剥离，并且因此偶尔没有给予模子足够的可成形性。也就是说，该模子具有耐久性的问题，导致压制成形的产品的高成本。此外，在随着数字式照相机等的小型化的发展而对于高折射率玻璃的压制成形的需求增大时，以高至650°C或更高的成形温度执行的高折射率玻璃的压制成形涉及较大问题，即通过使用金刚石状碳膜、a-C:H膜和硬碳膜中的任何一种制作的模子具有较差的耐久性。然后，作为具有良好的耐热性的碳膜，已知的是如在专利文献I中所公开的通过使用过滤阴极真空电弧工艺(FCVA工艺)获得的ta-C膜。通过使用基于甲烷的气体来制作的传统的金刚石状碳膜(硬碳膜)包含氢原子，并且因此，当在高温下形成该膜时，碳原子和氢原子之间的接合(bond)可能被切断，结果得到碳原子之间的石墨接合(SP2接合)并且导致该膜的硬度降低。另一方面，在通过使用石墨作为材料的FCVA工艺制作ta-C膜时，可以获得无氢的金刚石状碳膜(具有高强度的Sp3接合)。然而，根据上述的通过FCVA工艺形成ta-C膜的方法，在等离子体磁性传输期间正在俘获和去除与从阴极点释放离子同时出现的阴极材料的微粒时，仅仅碳离子被允许到达模子基体(matrix)(成形模子基板)，由此形成膜。上面描述的FCVA工艺具有如下的问题，即结果得到的模子的倾斜周边部分具有低耐热性。特别地，具有在主要迹线(principaltrace)之间有较大角度(在模子的光轴中心与光学有效直径位置处的法线方向之间构成的角度)的形状的模子的倾斜周边部分与模子的顶部相比倾向于具有较差的耐热性。因此，随着压制成形的次数增加，ta-C膜变得在模子的周边部分处容易被剥离，结果得到耐久性的劣化。引文列表专利文献
PTL I :日本专利申请公开 No. 2004-075529
发明内容
技术问题本发明的一个目的在于，提供一种制作光学元件成形模子的方法，通过该方法可以制作包括从模子的顶部直到模子的周边部分具有均匀质量的ta-C膜的光学元件成形模子。问题的解决方案为了解决上述问题，本发明提供一种制作光学元件成形模子的方法，所述光学元件成形模子用于使光学元件压制成形，所述方法包括如下步骤在使用于光学元件成形模子的模子基体保持在浮置电位时在成膜室中布置模子基体；在相对于模子基体的成膜表面的法线方向上形成磁场；以及在将电压施加到用于保持模子基体的保持部件时，通过使用过滤阴极真空电弧工艺在模子基体的成膜表面上形成四面体非晶碳膜。本发明的有利效果通过使用上面描述的FCVA工艺形成ta-C膜，可以防止膜的质量在模子的周边部分处劣化，结果形成具有均匀质量的ta-C膜。结果，光学元件成形模子的压制成形耐久性次数可以被增加，由此能显著地减少光学元件的制作成本。从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。
[图3A]。
[图3B]。
[图3C]。
[图3D]。
[图3E]。
[图4]图4
图1A]图IA是第一实施例中的成膜设备的示意图。
图1B]图IB是第一实施例中的光学元件成形模子的截面图。
图2]图2是示出在第二实施例中如何在环形模子上形成膜的示意图。
图3B]图3B是示出第二实施例中的环形磁体的位置和环形模子的位置的示意
图3C]图3C是示出第二实施例中的环形磁体的位置和环形模子的位置的示意
图3D]图3D是示出第二实施例中的环形磁体的位置和环形模子的位置的示意
图3E]图3E是示出第二实施例中的环形磁体的位置和环形模子的位置的示意
图5A]图5A是示出第二实施例中的环形模子的形状的截面图。图5B]图5B是示出第二实施例中的环形模子的形状的截面图。
具体实施方式
第一实施例
图IA示出根据一个实施例的制作光学元件成形模子的方法中的通过过滤阴极真空电弧工艺(FCVA工艺)的成膜步骤中使用的成膜设备(FCVA设备)。该设备包括在真空室I中的模子基体保持部件2，并且模子基体保持部件2经由绝缘部件3a和3b保持模子基体
10。模子基体10在内部包括磁体4，该磁体4是为了形成用于在相对于模子基体10的成膜表面(转印表面(transfer surface))的法线方向(箭头B)上施加磁力的磁场所必需的磁性单元。与真空室I连接的是用于通过FCVA工艺形成四面体非晶碳膜(ta-C膜)的真空电弧电源20、电弧等离子体产生室21以及过滤线圈(filter coil)22。FCVA设备除过滤线圈以外还包括用于使碳离子束定向的扫描线圈(未示出)。通过过滤线圈22形成的磁场的磁力线的方向被调节为使得沿着从模子基体10朝向过滤线圈22的方向(箭头A)。当磁力线的方向被设定为反方向时，通过在由过滤线圈22形成的磁场与由磁体4形成的磁场之间的拐点处在与碳离子的移动方向不同的方向上的磁场的影响使碳离子分散，由此阻碍膜的均质化。此外，磁力线的方向可以为任何方向，只要在相对于模子基体10的成膜表面(转印表面)形成的磁力线的每个方向与每个法线方向(箭头B)之间构成的角度在±30°的范围之内即可。当在相对于法线方向±30°的范围之外的方向上形成磁力线时，成膜实验与仿真分析显示膜厚的均质化和形成的膜的耐久性劣化。这可能由于磁力线的方向相对于转印表面的每个法线方向在很大程度上倾斜，并且产生的等离子体到转印表面的入射角变得太宽，结果得到膜的损伤。为了将磁通调节到上述角度范围中，推荐的是考虑产生的磁力线的方向来调节磁体4的距模子的表面的距离以及尺寸，该方向根据施加到模子基体保持部件2的电压的值而变化。此外，用于将电压施加到模子基体保持部件2的DC电源5连接到设备，使得模子基体保持部件2的电位为比模子基体10的电位高大于或等于5伏且小于200伏的正电位，该模子基体10的电位通过绝缘部件3a和3b被保持在浮置电位。接下来，下面描述执行用于通过使用该设备形成ta-C膜的成膜步骤。用于光学元件成形模子的模子基体在模子基体的电位正被保持在浮置电位时被布置在成膜室中。真空室I被真空泵(未示出)抽空直到真空室I中的极限真空达到IX IO-5Pa或更小。接下来，通过真空电弧电源20在电弧等离子体产生室21中产生碳等离子体，并且通过过滤线圈22控制期望的电流，使得与从阴极点释放离子同时出现的阴极材料的微粒被俘获和去除。因此，仅仅碳离子被选择并且到达模子基体10。在这时候，沿着磁体4的上述磁力线，也就是说，从相对于转印表面的法线方向±30°的范围内的方向吸引碳离子。此外，通过施加有电位从而具有比模子基体10的电位高的正电位的模子基体保持部件2提供的电场的影响，等离子体流被分离成碳离子和电子。分离的碳离子从模子基体保持部件2遥远地吸引电子，并且保持其它碳离子远离自身，将那些碳离子的移动方向转向模子基体10。因此，那些碳离子变得很可能在具有主要迹线之间的较大的角度的转印表面的法线方向上入射，并且结果，可以获得在模子的顶部处的膜与模子的周边部分处的膜之间的均质化。因此，均匀地形成具有50到IOOOnm的厚度的ta_C膜。注意，当在模子基体10的外部处或者在与模子基体10的转印表面相反的一侧处设置磁体4而不是将磁体4设置在模子基体10内时，也可以获得相同的效果。
图IB示出其上已经通过使用图IA中示出的成膜设备形成膜的光学元件成形模子。在光学元件成形模子中，通过使用溅射设备在由包含WC作为主要成分的硬质合金(cemented carbide)制成的模子基体10上形成SiC层11。SiC层11是用于提高如下所述的在硬质合金上形成ta-C膜12所必需的粘附性的中间层。溅射工艺被应用作为形成SiC层11的方法。在本实施例中的模子基体10不限于包含WC作为主要成分的硬质合金，并且可以使用通过CVD工艺在SiC烧结体上形成SiC层而制作的模子基体。在那种情况下，通过FCVA工艺将ta-C膜直接形成在模子基体上。此外，虽然在本实施例中溅射成膜工艺被用作形成SiC层的方法，但是可以使用其它成膜工艺，诸如等离子体源离子注入工艺(PSII工艺)。可替代地，可以通过溅射成膜工艺在模子基体10上形成Ti层或者TiAlN层，继之以在该层上形成上述SiC层11。示例 I在示例I中，涂敷图IB中示出的光学元件成形模子。包含WC作为主要成分的硬质合金被用作模子基体10，并且其成形表面具有凸形以及55°的主要迹线之间的角度。首先，溅射设备(未示出)被用来在模子基体10上形成具有60nm的厚度的SiC层
11。接下来，模子基体10被传送到图IA中示出的真空室I中并且被布置在那里。在模子基体10被布置之后，布置在模子基体10中的磁体4和过滤线圈22被用来形成朝向模子基体10的转印表面的法线方向的磁场。模子基体保持部件2与模子基体10和磁体4绝缘，并且预定的电位被施加到模子基体保持部件2。形成的磁场的磁通密度被设定为-O. 003、+0. 003、+0. 004、+0. 015和+0. 0016特斯拉，施加到模子基体保持部件2的电压被设定为-10、±0、+10、+50和+100伏，并且形成具有200nm的厚度的ta_C膜12。通过形成ta-C膜12制作的光学元件成形模子被用来连续地2000次地实现作为光学元件的光学透镜的压制成形。用于成形的玻璃为包含稀土的基于硼硅酸盐的玻璃(Tg:610°C，折射率1. 85)，并且用于成形的条件为在氮气氛之下并且在700°C的压制温度处。表I不出了结果。[表 I]
\、特斯拉伏-◎ _3+0,004+0.015+0*016-10画—XX■■■·XK賺+10XX良好良好X+50XX良好X+100XX良好( '-fr -X+ 105MtwmKVwm 如从表I中看到的，当磁通密度为+0. 004或+0. 015并且施加的电压为+10、+50或+100时，模子与形成的光学元件之间的可释放性为“良好”，显示在没有任何融熔接合缺陷或任何膜剥离缺陷的情况下实现压制成形。此外，在每种情况中，在模子的55°的主要迹线之间的角度的部分处的膜厚与在模子的顶部处的膜厚之比在O. 8到I. O的范围之内。另外，当在上述测量位置测量膜的电阻率时，结果被发现在顶部处为IO11到1012Ω ·_而在模子的55°的主要迹线之间的角度的部分处为IO9 7到10118Ω · cm。因此，发现膜厚和膜质量两者都是均匀的。当磁通密度为-O. 003、+0. 003或+0. 016并且施加的电压为+10、+50或+100时，
在成形时观察到较差的脱模现象，并且，假设在模子与玻璃之间的融熔接合现象被包括在较差的脱模现象内，模子的膜的耐久性为500次或更少。在每种情况中，ta-C膜在模子的周边部分处部分地剥离。当磁通密度为+0. 004或+0. 015并且施加的电压为-10、±0或+105时，在成形时也观察到类似的较差的脱模现象，并且，假设在模子与玻璃之间的融熔接合现象被包括在较差的脱模现象内，模子的膜的耐久性为500次或更少。在每种情况中，ta-C膜在模子的周边部分处部分地剥离。此外，当磁通密度为-O. 003,+0. 003或+0. 016并且施加的电压为-10、±0或+105时，没有形成令人满意的膜，并且因此不能实现压制成形。示例 2通过使用与示例I中相同的FCVA设备将具有200nm的厚度的ta_C膜形成在具有凸形和45°的主要迹线之间的角度的模子基体上。注意，如示例I中一样通过使用溅射设备把作为中间层的SiC层形成为具有60nm的厚度。形成的磁场的磁通密度被设定为-O. 003、+0. 003、+0. 004、+0. 015和+0. 0016特斯拉，施加到模子基体保持部件2的电压被设定为-10、±0、+10、+50和+100伏，并且形成具有200nm的厚度的ta_C膜12。接下来，以与示例I中相同的方式，通过形成ta-C膜12制作的光学元件成形模子被用来连续地800次地实现作为光学元件的光学透镜的压制成形。表2示出了结果。[表2]
权利要求
1.一种制作光学元件成形模子的方法，所述光学元件成形模子用于使光学元件压制成形，所述方法包括如下步骤在将用于光学元件成形模子的模子基体保持在浮置电位时在成膜室中布置模子基体；在相对于模子基体的成膜表面的法线方向上形成磁场；以及在将电压施加到用于保持模子基体的保持部件时，通过使用过滤阴极真空电弧工艺在模子基体的成膜表面上形成四面体非晶碳膜。
2.根据权利要求I所述的制作光学元件成形模子的方法，其中模子基体具有凸形或者凹形的成膜表面；用于保持模子基体的保持部件被保持在正电位；以及磁场被形成为使得朝向相对于模子基体的成膜表面的法线方向在±30°内的方向形成具有大于或等于O. 003特斯拉且小于O. 015特斯拉的磁通密度的磁通，由此将大于或等于+IOV且小于或等于+100V的电压施加到保持部件。
3.根据权利要求I所述的制作光学元件成形模子的方法，其中模子基体具有环形形状，成膜表面为环形模子的内侧周边表面；模子基体被保持在浮置电位或者大于或等于-100V且小于或等于OV ；用于保持模子基体的保持部件被保持在大于或等于+20V且小于或等于+100V的电位；以及磁场被形成为使得朝向相对于模子基体的成膜表面的法线方向在±30°内的方向形成具有大于或等于O. 002特斯拉且小于O. 015特斯拉的磁通密度的磁通。
4.一种光学元件成形模子，所述光学元件成形模子是通过根据权利要求I或者3所述的制作光学元件成形模子的方法制作的。
全文摘要
提供了一种制作光学元件成形模子的方法，该方法包括通过FCVA工艺在用于光学元件成形模子的模子基体10上形成ta-C膜12，在其中模子基体10被保持在浮置电位，电压被施加到用于经由绝缘部件(3a,3b)保持模子基体的模子基体保持部件2，并且在模子基体中内部设置的磁体4形成用于在模子基体的转印表面的法线方向上施加磁力以使得遵循由过滤线圈22施加的磁力的磁场，由此使膜质量均质化。
文档编号C03B11/08GK102933512SQ20118002637
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年6月3日
发明者久保裕之, 桥本茂, 平林敬二, 寺西康治, 大胁悠介 申请人:佳能株式会社